昨日，2019年諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎頒發(fā)給了哈佛醫學(xué)院的小威廉·凱林（William Kaelin. Jr）、牛津大學(xué)的彼得·拉特克利夫爵士（Peter J. Ratcliffe）和約翰霍普金斯大學(xué)的格雷格·塞門(mén)扎（Gregg L. Semenza）（圖1） 。三位科學(xué)家因發(fā)現動(dòng)物細胞如何適應氧氣張力的變化（"for their discoverys of how cells sense and adapt to oxygen availability"）而受到表彰。
曾經(jīng)與諾獎得主小威廉·凱林在Dana-Farber癌癥研究所共事的Wenhua Gao為我們分享了凱林實(shí)驗室的獨門(mén)“十誡”。
這份“十誡”有兩個(gè)版本。2005年的第一版中，一些條目出自凱林當年做博士后時(shí)的導師大衛·利文斯頓（David Livingston），科學(xué)家們優(yōu)秀的治學(xué)作風(fēng)一脈相承?！笆]”的頭一條這樣寫(xiě)道：”When I was a post-doc in David's lab…（當我還是大衛實(shí)驗室的一名博士后時(shí)……）”，傳遞出凱林與導師的深切感情和他對漫漫科研長(cháng)路的回味。
新版“十誡”自2017年推出，字里行間不乏“老學(xué)究”的小調皮，比如下面這條：
”Trust me on this, I have been doing this for __ years!” *Fill in blank by taking current years and subtracting from 1992.
“這事你信我就對了，我已經(jīng)在這方面做了__年了！” *空白處填上當前年份減去1992年。（意思是凱林從1992年起就開(kāi)始從事該領(lǐng)域研究。）
10. “There are two types of scientists. One whose worst nightmare is to be second, the other whose worst nightmare is being wrong. You have to decide which kind you want to be.”
9. “There is an almost linear correlation between hours at the bench and number of papers.”
8.“Unless proven otherwise, all loss of fitness phenotypes are off-target”
7. “What you have here is an analog result, but what you want is a digital result”
6.“Where is the rescue?”
5. “Robustness and reproducibility are NOT the same thing”
4.“What is the most trivial explanation for these data?”
3.“The experiment is only as strong as your controls”, sometimes phrased as “Nothing is sadder than a blank blot”
2.“Trust me on this, I have been doing this for__years!”
· Fill in a blank by taking current year and subtracting from 1992.
1.“The honeymoon is over”
·· Hint: the honeymoon lasts a year
凱林通過(guò)這樣的形式傳達對博士后團隊的諄諄教誨?！癢here is your rescue?”凱林問(wèn)道。Wenhua介紹說(shuō)，做RNA干擾(RNAi)或者是CRISPR 敲除實(shí)驗時(shí)，出現表型(phenotype)后應該把原基因再表達回去，看看該表型是否可以逆轉，這叫作“挽救實(shí)驗（rescue experiment）”，其目的是為了去掉脫靶的可能性。尤其是在RNAi后，如果看到對細胞生存的負面效應，必須做挽救實(shí)驗，以確保該現象不是脫靶效應導致的。
其他的條目也很有意思，歡迎大家討論討論每一條的含義~
諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎授予的是能帶來(lái)“人類(lèi)最大福祉”的科學(xué)發(fā)現，那么今年獲獎的這一發(fā)現對人類(lèi)健康的直觀(guān)意義何在？未來(lái)發(fā)展前景又如何？
帶著(zhù)這些疑問(wèn)，我們和美國德克薩斯大學(xué)西南醫學(xué)研究中心（UT Southwestern Medical Center）的張青教授進(jìn)行了對話(huà)。張教授長(cháng)期從事細胞低氧反應研究，在2006至2011年間，曾在今年諾獎得主之一凱林的實(shí)驗室工作。
張教授介紹，氧感知是一個(gè)普遍存在的現象，在癌癥中亦是如此。HIF抑制劑對于癌癥治療意義重大，目前正有HIF-2α抑制劑治療腎癌的臨床試驗，而HIF-1α抑制劑的開(kāi)發(fā)仍很有挑戰性。同時(shí)，氧感知通路的研究既包括依賴(lài)HIF的信號通路，也包括與HIF無(wú)關(guān)的信號通路。例如，HIF-2α抑制劑僅對50%的腎癌患者有效。因此，研究多種信號通路對于開(kāi)發(fā)新的單獨或聯(lián)合使用的治療方法都具有重要意義。
盡管至今仍然沒(méi)有直接抑制HIF的藥物被批準用于癌癥治療，不過(guò)，去年一種HIF-PH（脯氨酸羥化酶）抑制劑新藥羅沙司他(Roxadustat)在中國率先獲批上市，用于治療因慢性腎臟病 (CKD) 引起的貧血。據估計，中國的CKD患者已過(guò)億，2017年血液透析患者保守估計在50萬(wàn)人以上，且呈快速增長(cháng)趨勢。羅沙司他膠囊的上市為因CKD引起貧血的國內患者帶來(lái)了新的治療希望。張教授說(shuō)道，這一藥物的研發(fā)可以說(shuō)是諾獎研究成果帶來(lái)的一項直接結果。
除了在治療貧血方面的成效，脯氨酸羥化酶抑制劑未來(lái)可能會(huì )在炎癥性腸病等方面產(chǎn)生更廣闊的臨床應用，許多相關(guān)臨床試驗也正在進(jìn)行中。
從與張教授的對話(huà)中我們了解到，以HIF為核心的細胞低氧適應研究在貧血方面的應用價(jià)值苗頭初顯，而在癌癥等臨床領(lǐng)域內的研究更是方興未艾。經(jīng)諾獎進(jìn)一步加持，可以預見(jiàn)HIF相關(guān)的研究會(huì )進(jìn)一步吸引研究者的目光。
18世紀末，瑞典藥劑師卡爾·舍勒（Carl Scheele）認定，大約四分之一的空氣是“火氣”，即大氣中可以讓物質(zhì)燃燒的成分。與此同時(shí)，英國的神學(xué)家和哲學(xué)家約瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）發(fā)現了一個(gè)提純這種氣體的方法。在一次與普利斯特里的偶遇后，法國貴族、政治家、科學(xué)家安托萬(wàn)·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）成功地復制了普利斯特的提純方法，并將提純到的物質(zhì)命名為“氧”。后來(lái)，普利斯特里和拉瓦錫親眼目睹他們的實(shí)驗室被暴徒摧毀；拉瓦錫不久就被處死了，而普利斯特里逃到了美國。盡管他們的實(shí)驗室被燒毀，但 “氧”這種其氣體作為生命的燃料依舊立于生命研究的中心地帶。
雖然氧氣是細胞呼吸的必要因素，但從貝尚（Bechamp）和巴斯德（Pasteur）開(kāi)始，人們就知道細胞呼吸過(guò)程其實(shí)是更復雜的氧平衡的一部分：動(dòng)物可以利用多種途徑來(lái)完成能量生產(chǎn)，包括在必要時(shí)轉換到厭氧發(fā)酵。到上個(gè)世紀中葉，這種多方位的適應能力已經(jīng)成為生化知識領(lǐng)域中的一條常識。但是，在三位科學(xué)家做出他們的貢獻之前，這種適應性在基因表達水平上如何被調控，人們還完全不清楚。
眾所周知，許多對氧氣水平的生理和代謝反應都是轉錄層面的。信使RNA（mRNA）編碼了許多糖酵解酶[1，2]、血管生成因子（VEGF）[3]和促紅細胞生成素[4]等一系列蛋白；當細胞中的氧氣水平下降時(shí)，受低氧條件刺激，編碼上述這些蛋白的mRNA含量就會(huì )升高，讓機體適應低氧環(huán)境。例如，促紅細胞生成素升高，機體生成更多的紅細胞，攜帶更多的氧，以滿(mǎn)足機體的需要。
人們在基因中分離出一些專(zhuān)門(mén)響應氧氣水平的序列，稱(chēng)為HRE（hypoxia-responsive element），或低氧反應元件[5]。賽門(mén)扎和拉特克利夫的團隊都積極地參與這些調控序列的鑒定，尋找結合低氧反應元件的因子。在這場(chǎng)競賽中，塞門(mén)扎的研究小組率先克隆了一個(gè)轉錄因子，稱(chēng)之為HIF（hypoxia-inducible factor），意為低氧誘導因子[6]。
后續的研究逐步發(fā)現，在很多氧氣調節的基因中都存在低氧反應元件，而低氧誘導因子（hypoxia-inducible factor，HIF）可以直接調控數百種mRNA的表達。通過(guò)HIF作用改變基因表達，幾乎影響了細胞生理和代謝的方方面面，這對動(dòng)物細胞適應體內和環(huán)境中不斷變化的氧氣水平至關(guān)重要。
早期的研究表明，有機體的發(fā)育和體內穩態(tài)維持在許多方面都依賴(lài)于HIF的作用；同時(shí)，癌癥、炎癥、組織損傷和愈合等機體面臨的諸多挑戰也都與HIF的應答有關(guān)。這方面的工作進(jìn)展迅速，實(shí)驗反復表明，從免疫反應、心血管功能一直到神經(jīng)控制，HIF介導的氧化反應在整個(gè)生物學(xué)領(lǐng)域中都很重要。也正因如此，當人們后來(lái)又發(fā)現HIF參與大量疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程時(shí)，沒(méi)人覺(jué)得驚訝了。
賽門(mén)扎發(fā)現，HIF是一個(gè)由兩個(gè)堿性螺旋-環(huán)-螺旋家族因子組成的DNA結合二聚體。這個(gè)二聚體的一部分是HIF-1α；另一部分最先被稱(chēng)為HIF-1β，后來(lái)才發(fā)現它正是之前就被克隆出來(lái)的芳烴受體核轉運蛋白。由于HIF-1β對氧氣水平并不敏感，人們認識到一個(gè)重要事實(shí)——對氧氣敏感的HIF-1α才是細胞響應低氧條件的關(guān)鍵。
那么，問(wèn)題來(lái)了，HIF-1α又受誰(shuí)的調控呢？不同于往常研究的是信號轉導之類(lèi)的事件，這個(gè)問(wèn)題的答案必須落實(shí)到對氧氣水平的直接反應——即氧氣本身的水平。凱林和他的合作者發(fā)現，腫瘤抑制因子VHL（與von Hippel-Lindau家族性癌癥相關(guān)）的突變會(huì )導致HIF調節基因的表達增加[7]。隨后，拉特克利夫團隊又發(fā)現，在缺乏VHL的細胞中，HIF-1α對氧氣改變所產(chǎn)生的變化消失了[8]?？紤]到VHL參與泛素化和蛋白質(zhì)更替，這個(gè)發(fā)現為HIF-1α的調控提供了一個(gè)潛在的機制。
這之后最關(guān)鍵的研究，就是拉特克利夫和凱林團隊發(fā)現HIF-1α蛋白中的脯氨酸殘基被羥基化——這個(gè)羥基化修飾對于VHL復合物的結合至關(guān)重要[9，10]。隨后，拉特克利夫團隊，以及Bruick和McKnight分別發(fā)現了催化這種修飾的候選脯氨酰羥化酶（PHD）[11，12]。鑒于脯氨酸羥化作用需要分子氧的參與，這就在理論上建立了一個(gè)細胞在翻譯后水平調節HIF的模型（圖2）：
隨著(zhù)氧氣水平的降低，HIF的羥化作用減少，從而導致VHL復合物的結合減弱，泛素化程度降低，HIF-1α的蛋白酶體降解作用減弱，最終，HIF-1α（及其異構體HIF-2α[13-15]）在缺氧狀態(tài)下積累，從而誘導基因表達，幫助細胞調整在低氧水平下的生存方式。賽門(mén)扎之后發(fā)現了一種HIF抑制劑——FIH[16]，為這個(gè)模型又增加了一個(gè)微妙之處。FIH也是一個(gè)羥化酶，雖然它在HIF-1α蛋白的不同區域通過(guò)改變通路的轉錄激活而不是調節HIF蛋白質(zhì)轉換起作用，但是其活性改變也是受氧氣介導的[17]。
許多研究團隊的工作已經(jīng)證明，HIF的氧感知通路堅實(shí)可靠，在調節氧氣影響的基因表達中起關(guān)鍵作用。在HIF的發(fā)現過(guò)程中，這三位研究人員憑其發(fā)現是當之無(wú)愧的核心人物，引領(lǐng)著(zhù)這項工作的進(jìn)程。他們不僅積極參與對HIF調節的分子生物學(xué)過(guò)程的逐步闡釋?zhuān)規椭覀兏畹乩斫饬说脱醴磻诮】岛图膊≈兴鸬纳碜饔谩?/span>
調節HIF- 1α穩定性的脯氨酸羥化酶的發(fā)現，使人們能夠尋找抑制劑，這為藥理學(xué)研究開(kāi)辟了新的途徑。事實(shí)上，多個(gè)影響HIF功能的潛在藥物已經(jīng)在臨床試驗中取得了很大進(jìn)展。目前的臨床研究主要集中在對于貧血的治療上，這使工作回到其最初的目標之一，即操縱促紅細胞生成素的表達。但考慮到HIF影響的疾病范圍，今后肯定會(huì )有更多的臨床應用出現。
參考文獻
特 別 提 示
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